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        基于物質(zhì)平衡原理對頁巖氣壓裂儲層有效改造體積進(jìn)行估算方法研究

        2018-12-19 08:11:24修乃嶺嚴(yán)玉忠管保山嚴(yán)星明
        石油地質(zhì)與工程 2018年6期
        關(guān)鍵詞:方法

        修乃嶺,嚴(yán)玉忠,管保山,王 欣,王 臻,嚴(yán)星明

        (中國石油集團(tuán)公司油氣藏改造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北廊坊 065007)

        頁巖氣作為一種非常規(guī)油氣已經(jīng)成為中國能源新的增長點(diǎn)。我國頁巖氣資源豐富,但頁巖氣儲層具有低孔、低滲特征,必須通過壓裂改造形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)、增大儲層改造體積(SRV)才能獲得有效開發(fā)并提高最終采收率[1-2]。國內(nèi)外頁巖氣開發(fā)經(jīng)驗(yàn)表明,SRV越大,頁巖氣產(chǎn)量越高,SRV大小成為評價頁巖氣儲層改造程度的一個重要參數(shù)[3-6]。目前,國內(nèi)外通常采用微地震監(jiān)測、微形變監(jiān)測等方法評價頁巖氣井壓裂裂縫網(wǎng)絡(luò)特征和計(jì)算SRV大小[7-9],進(jìn)而評價壓裂改造效果。但這些方法存在信號質(zhì)量差、鄰井施工干擾大、在低油價下無法大規(guī)模應(yīng)用等問題,受到技術(shù)適應(yīng)性和施工環(huán)境條件限制[10],并且上述方法解釋的裂縫SRV區(qū)是壓裂過程中當(dāng)時發(fā)生微地震事件的壓開裂縫區(qū)域或裂縫網(wǎng)絡(luò)包絡(luò),這與壓裂完成后能夠提供有效滲流能力的有效改造體積概念不同。通過生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析估算儲層改造體積,是壓后評估儲層改造程度的另一種技術(shù)選擇。例如,楊加祥[10]提出了利用壓力恢復(fù)試井技術(shù)估算SRV大小的方法,但該方法假設(shè)水平井多段改造后每段裂縫為單一裂縫,且每段裂縫等長等高,這與現(xiàn)場監(jiān)測獲得的裂縫擴(kuò)展形態(tài)和尺寸有較大誤差。翁定為等[11]通過基于物理模擬試驗(yàn)結(jié)果建立了儲層改造體積預(yù)測模型, 溫慶志[12]將改造區(qū)域視為橢圓球,并建立了相關(guān)SRV計(jì)算模型。但由于頁巖儲層層理和天然裂縫發(fā)育等原因,水力裂縫網(wǎng)絡(luò)形態(tài)復(fù)雜[13-14],每段裂縫網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展尺寸很難準(zhǔn)確確定。目前對于體積壓裂后壓裂效果的評價多用SRV這一參數(shù),而對頁巖氣真正連通儲層的有效滲流體積的評估方法研究很少[15]。針對上述問題,本文將頁巖氣儲層改造后發(fā)生滲流的體積視為有效改造體積(ESRV),將整個ESRV內(nèi)氣體孔隙體積視為定容體,建立ESRV內(nèi)氣體物質(zhì)平衡方程,根據(jù)累計(jì)產(chǎn)氣量和關(guān)井后穩(wěn)定井底壓力的關(guān)系估算ESRV的大小,不需要計(jì)算每段壓裂裂縫網(wǎng)絡(luò)的長度和高度,可為評估頁巖氣儲層有效改造體積提供一種新方法。

        1 有效改造內(nèi)氣體物質(zhì)平衡方程

        體積壓裂是一種有效的頁巖氣井壓裂改造工藝,能夠在改造體積范圍內(nèi)建立有效的滲流通道,最大程度釋放產(chǎn)能,并對建立長期穩(wěn)定產(chǎn)能有著重要作用。在實(shí)際生產(chǎn)過程中,通常認(rèn)為有效改造體積內(nèi)部的氣體才會發(fā)生有效流動,而有效改造體積外部的氣體即使在很大的壓力梯度驅(qū)動下也很難發(fā)生流動[16]。假設(shè)壓裂后儲層溫度恢復(fù)到初始溫度,可將儲層有效改造體積內(nèi)空間視為恒溫定容體,并建立氣體物質(zhì)平衡方程。

        根據(jù)氣體狀態(tài)方程可得到壓裂儲層有效改造體積內(nèi)的自由氣體質(zhì)量:

        根據(jù)朗格繆爾吸附方程,可得到壓裂井儲層有效改造體積內(nèi)吸附氣體質(zhì)量:

        生產(chǎn)一段時間后,累積產(chǎn)氣量體積為<#,累計(jì)產(chǎn)水<=。關(guān)井進(jìn)行壓力恢復(fù)至某一穩(wěn)定井底壓力ρ,生產(chǎn)及關(guān)井過程中,對儲層壓裂溫度變化忽略不計(jì),儲層溫度?@=?$;假設(shè)累計(jì)產(chǎn)出水的體積只占有效改造體積內(nèi)孔隙體積很小一部分,產(chǎn)出水對氣體孔隙體積影響忽略不計(jì),恢復(fù)到壓力ρ時,得到壓裂儲層ESRV內(nèi)自由氣體質(zhì)量:

        恢復(fù)到壓力ρ時,壓裂井ESRV內(nèi)吸附氣體質(zhì)量可由朗格繆爾吸附方程推出:

        儲層有效改造體積內(nèi)氣體所占孔隙體積大小為:

        將式(1)~(5)和式(7)代入到式(6),經(jīng)變化可得壓裂井儲層有效改造體積內(nèi)氣體物質(zhì)平衡方程:

        根據(jù)累計(jì)產(chǎn)氣量與恢復(fù)后壓力的關(guān)系,按照氣體物質(zhì)平衡方程,計(jì)算ESRV大小。根據(jù)公式(8)經(jīng)推導(dǎo)可得儲層有效改造體積ESRV計(jì)算公式:

        上述式中:ρ$、ρG、ρ和ρsF分別是儲層原始壓力、儲層溫度下朗格繆爾壓力、生產(chǎn)一段時間后儲層平均壓力和標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力,MPa;Z$、Z@和ZsF分別為儲層原始條件下氣體偏差因子、儲層溫度下壓力為ρ時氣體偏差因子和標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體偏差因子,無因次;?$、?sF分別是儲層溫度和標(biāo)準(zhǔn)大氣溫度,K;R為氣體常數(shù),J/(mol?K);Vm為儲層溫度下極限吸附量,m3/t;45是儲層基質(zhì)密度,m3/t;V#是氣體摩爾質(zhì)量,kg/mol;ESRV是儲層改造體積,mW;φ是儲層改造體積內(nèi)孔隙度,無因次;S#是氣體飽和度,無因次;4sc是標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體密度,kg/m3; <#為標(biāo)準(zhǔn)條件下的產(chǎn)量;分別是改造體積內(nèi)儲層原始條件下自由氣質(zhì)量、吸附氣質(zhì)量、生產(chǎn)一段時間改造體積內(nèi)壓力為p時自由氣質(zhì)量、吸附氣質(zhì)量、累計(jì)產(chǎn)出氣質(zhì)量,kg;VB#為改造體積內(nèi)氣體所占孔隙體積大小,mW。

        2 實(shí)例計(jì)算及應(yīng)用

        長寧頁巖氣區(qū)塊A井,水平段穿行層位為志留系龍馬溪組,水平段軌跡距離優(yōu)質(zhì)頁巖底界35 m,垂深2 300 m,側(cè)深4 190 m,改造段長度1 350 m。該井主體壓裂工藝為大液量大排量滑溜水體積壓裂,共改造14段,平均排量12 m3/min,共注入壓裂液24 665 m3。該井2014年5月7日投產(chǎn),至2014年11月24日關(guān)井累計(jì)產(chǎn)氣530.51×104m3,關(guān)井后進(jìn)行壓力恢復(fù),直至壓力趨于穩(wěn)定。至2015年2月13日,井口套管壓力穩(wěn)定在18.4 MPa,井筒充滿液體。

        根據(jù)累計(jì)產(chǎn)氣量和穩(wěn)定后壓力,根據(jù)式(9)可估算該水平井ESRV大小。具體參數(shù)如下:孔隙度φ=2.5%,含氣飽和度S#=0.7,儲層溫度?$=353 K,標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的溫度?sF=293 K,氣體偏差因子Z$=1.17,Z@=1.08,ZsF=1,儲層原始壓力ρ$=50 MPa,生產(chǎn)一段時間后儲層平均壓力ρ=42.4 MPa,標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力ρsF=0.101 MPa,儲層基質(zhì)密度4X=2.6 t/m3,儲層溫度下極限吸附量VY=1.28 t/m3,朗格繆爾壓力ρG=2.68 MPa,儲層壓力為ρ時累積產(chǎn)氣量530.51×104m3。

        將上述數(shù)據(jù)代入到公式(9),計(jì)算該水平井儲層改造體積ESRV=1.0×107m3。

        地面測斜儀是一種常用的水力裂縫監(jiān)測評價方法,可用來評估儲層改造體積的大小。采用測斜儀對A井在壓裂過程中的水力裂縫進(jìn)行了監(jiān)測,監(jiān)測到了裂縫形態(tài)及裂縫網(wǎng)絡(luò)包絡(luò)體積,并計(jì)算了該井的改造體積大小。利用地面測斜儀方法評價的A井儲層改造體積大小為4.8×107m3。

        地面測斜儀方法評價的A井儲層改造體積比本文的評價方法得到的數(shù)值大,這是因?yàn)闇y斜儀評價技術(shù)采用三維縫網(wǎng)構(gòu)成的凸包定量表征儲層改造體積,無法去除不同段裂縫之間的未改造或未發(fā)生滲流部分,而根據(jù)氣體物質(zhì)平衡方法估算的儲層有效改造體積是單井實(shí)際控制的發(fā)生滲流的儲層體積。

        3 結(jié)論與建議

        (1)將壓裂有效改造體積視為定容體,基于質(zhì)量守恒原理、氣體狀態(tài)方程和朗格繆爾吸附模型,建立氣體物質(zhì)平衡方程。生產(chǎn)一段時間后關(guān)井進(jìn)行壓力恢復(fù),待壓力恢復(fù)某一穩(wěn)定值后,獲得ESRV內(nèi)氣體壓力,根據(jù)壓力和累計(jì)產(chǎn)氣量關(guān)系估算儲層改造體積的大小。

        (2)該方法不需要對改造裂縫網(wǎng)絡(luò)形態(tài)及尺寸進(jìn)行假設(shè)和計(jì)算,也不需要對改造體積內(nèi)流體流動狀態(tài)進(jìn)行研究,原理清晰,計(jì)算簡單,可作為頁巖儲層有效改造效果評估的一種手段。如果在物質(zhì)平衡方程中考慮溶解氣,進(jìn)一步完善排水、儲層壓縮等因素對ESRV內(nèi)氣體孔隙的影響,可提高ESRV估算精度。

        (3)采用地面測斜儀裂縫監(jiān)測技術(shù)和本文方法對同一口頁巖氣水平井儲層有效改造體積進(jìn)行了評估,本文方法估算的有效改造體積小于采用測斜儀技術(shù)得到的改造體積。這是因?yàn)闇y斜儀評價技術(shù)采用三維縫網(wǎng)構(gòu)成的凸包定量表征儲層改造體積,無法去除不同段裂縫之間未改造或未發(fā)生滲流部分;而根據(jù)氣體物質(zhì)平衡方法估算的儲層有效改造體積是實(shí)際控制的發(fā)生滲流的儲層體積。

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